Novel genetic tools for the fine-tuning control of important agronomical traits in leafy crop species (endi-fit)
Author(s)
Chiatti, Valeria
Date Issued
December 17, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The premature transition from vegetative to reproductive growth (bolting), represents one of the major agronomic constraints in leafy vegetables, as it directly reduces yield and market quality. To address this challenge, this thesis investigated the molecular, physiological, and applied foundations of bolting resistance in endive and escaroles (Cichorium endivia) making use of translational biology, and extending mutagenesis strategies to other horticultural crops. Through comparative genomics and co-expression analyses, candidate genes and regulatory modules involved in key phytohormone pathways were identified, providing the first comprehensive annotation of auxin, abscisic acid, cytokinin, and gibberellin metabolism and signalling in C. endivia. These insights revealed hub genes and complex feedback mechanisms that maintain hormone homeostasis and established translational opportunities by leveraging conserved homologs in lettuce, a well-characterized model Asteraceae crop.
At the physiological and metabolic level, the work explored the genetic basis of the interplay between flowering time and the accumulation of Sesquiterpene Lactones (STLs), specialized metabolites that influence product quality. STLs were confirmed to accumulate upon floral induction, with distinct compound profiles differentiating C. endivia morphotypes (curly or smooth). Coexpression networks highlighted shared regulatory modules between flowering and STL biosynthesis, pointing to hub genes likely to underpin the integration of these traits. Finally, a proof-of-concept mutagenesis experiment in fennel (Foeniculum vulgare) explored the feasibility of optimizing treatments to generate mutant populations for functional studies. The establishment of a preliminary phenotyping scale and the transfer of optimized protocols to industry partners illustrated the applied potential of such strategies beyond Asteraceae.
Overall, this thesis contributes to a deeper understanding of the molecular and physiological processes underlying bolting resistance, while advancing the development of advanced molecular strategies grounded in genetic biodiversity. By integrating pathway discovery, metabolite profiling, and mutagenesis-based tools, this work provides a framework for precision breeding approaches that can accelerate the adaptation of leafy crops to climate change and meet industrial demands for sustainable production.
La transizione prematura dallo sviluppo vegetativo a quello riproduttivo (bolting) rappresenta uno dei principali vincoli agronomici nelle colture a foglia, riducendo direttamente la resa e la qualità commerciale del prodotto. Per affrontare questa sfida, il lavoro presentato in questa tesi ha indagato le basi molecolari, fisiologiche e applicative della resistenza al bolting in indivia (Cichorium endivia), sfruttando approcci di biologia traslazionale ed estendendo strategie di mutagenesi ad altre specie orticole. Attraverso analisi di genomica comparata e co-espressione genica, sono stati identificati geni candidati e reti di regolazione, coinvolti nei principali pathway ormonali, fornendo la prima annotazione completa del metabolismo e della segnalazione di auxina, acido abscissico, citochinine e gibberelline in C. endivia. Questi risultati hanno rivelato geni chiave e meccanismi di feedback complessi che contribuiscono a mantenere l’omeostasi ormonale, e fornito l’opportunità di traslazione in lattuga, una specie modello ortiva ben caratterizzata tra le Asteraceae.
A livello fisiologico e metabolico, sono state analizzate le basi genetiche dell’interazione tra tempo di fioritura e accumulo di Sesquiterpeni lattoni (STLs), metaboliti specializzati che influenzano la qualità del prodotto finale. L’accumulo di questi metaboliti secondari é stato osservato in corrispondenza all’induzione fiorale, con profili metabolici distinti tra i due diversi morfotipi di C. endivia (crispum e latifolium). Le reti di co-espressione hanno evidenziato moduli regolatori condivisi tra fioritura e biosintesi di STLs, individuando geni chiave potenzialmente responsabili dell’integrazione tra questi due tratti. Infine, tramite un esperimento di mutagenesi in finocchio (Foeniculum vulgare) é stata esplorata la possibilità di mettere a punto ed ottimizzare il protocollo per generare popolazioni mutanti, utili a studi funzionali. La determinazione di una scala di fenotipizzazione preliminare e il trasferimento dei protocolli ottimizzati ai partner industriali hanno dimostrato il potenziale applicativo di tali strategie, al di lá delle Asteraceae.
Complessivamente, questa tesi contribuisce a una più approfondita comprensione dei processi molecolari e fisiologici alla base della resistenza al bolting, avanzando lo sviluppo di strategie molecolari innovative basate sulla biodiversità genetica. Integrando la caratterizzazione di pathway, la profilazione metabolica e strumenti basati sulla mutagenesi, questo lavoro fornisce un quadro di riferimento per approcci di breeding di precisione in grado di accelerare l’adattamento delle colture a foglia ai cambiamenti climatici e rispondere alle esigenze industriali di una produzione sostenibile.
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali